尾矿是矿山主要固体废弃物之一，尾矿库也是矿山主要危险源之一。尾矿库带来的问题和危害越来越严重。尾矿处理是矿山生产的重要环节，是选矿厂建设和运行的重要组成部分。近年来，迫于环境和安全的压力，针对传统尾矿表面堆存处理方法存在的诸多问题，国内外不断开发出安全高效的尾矿处理新技术，并逐步产业化应用。

利用尾矿充填采矿空区是一种有效的尾矿处理方法。其实质是将尾矿制成充填材料充填空区域，支撑两帮围岩，防止岩石移动，达到控制地压的目的。用尾矿胶结充填地下采矿空区的方法，既减少了尾矿占用土地，又解决了地下采矿空区和地表沉陷的治理问题，一举两得，取得了良好的经济效益和环境效益。

铜陵化工集团新桥矿业有限公司(以下简称“新桥矿”)是以铜、硫为主要成分的大型露天地下联合开采矿山，综合开采能力150万ta，尾矿产量31.34万ta。该矿距离铜陵市仅30公里左右。矿区地表农田、村庄分布广泛，河流纵横交错，难以大规模建设尾矿库或干堆场。尾矿只能用于地下充填。

如果采用分级尾矿进行充填，尾矿分级脱泥不仅降低了整个尾矿的利用率(一般只有50%左右)，而且细粒尾矿无法筑坝，增加了尾矿库的筑坝成本。为了尽可能减少尾矿排放，降低充填成本和采矿成本，新桥矿决定采用全尾砂充填技术，即将浓缩压滤后的全尾砂滤饼(质量浓度85%左右)大部分用于井下充填，剩余少量堆存干燥。但与分级尾矿相比，全尾矿细泥含量高，渗透性差。如果低浓度充填入地下采场，脱水困难，固结缓慢，影响作业循环进度。而且新桥矿全尾砂残硫含量高，粘度大，运输和搅拌困难，更加难以保证充填质量。因此，有必要通过试验研究，解决新桥矿全尾砂地下充填的关键技术问题，如含硫尾砂胶结充填体的膨胀破坏、充填料浆配比参数、全尾砂储运技术等。

1.新桥尾矿作为充填骨料的可行性分析

(1)充填材料的理化性质分析

充填材料的物理力学性质和化学成分不仅影响充填工艺参数，如果有有害成分还会污染井下环境，因此需要准确测定主要充填材料的物理力学性质、化学成分和含量。新桥尾矿化学成分测定结果见表1，粒度成分测定结果见表2，物理力学性质测定结果见表3。

表1新桥矿尾矿主要化学成分测定结果%

表2新桥矿全尾砂的粒度组成

表3新桥尾矿主要物理力学参数

(2)全尾砂胶结充填性能评价

综合分析全尾砂的化学成分、粒度组成、物理力学性质、粘度和粘结性，可以得出以下初步结论。

1.新桥矿含硫尾矿粒度较细，0.05mm以下的颗粒占65%以上。中值粒径(粒径组成曲线上累积含量50%对应的粒径)仅为0.029mm，渗透系数小(1.62× 10-4)，粘度大，不利于充填体脱水和快速硬化，必然影响胶结充填体的强度。

2.随着堆放过程中水分的逐渐蒸发，粘度高的新鲜尾矿在压力下容易结块，堆放时间过长结块，不利于储存和运输，如图1、图2所示。

图1新桥矿所有含硫尾矿粘结成团。

图2新桥矿含硫尾矿团聚情况

3.尾矿具有均匀的粒度组成，不均匀系数d60/d10(粒度组成曲线上累积含量为60%时对应的粒径与累积含量为10%时对应的粒径之比)仅为2 ~ 3，属于均匀粘土类。制浆时容易混合，便于管道运输。充填入采场后，有助于减少水泥的离析。

4.尾矿中残留硫含量大，残留硫会与水泥中的组分发生反应，形成膨胀性硫酸盐晶体，降低充填体的强度。

综上所述，新桥矿尾矿用作充填骨料时，要解决残留硫含量高引起的水泥膨胀问题，以及易结块、结块引起的储存和运输问题。

二、高硫尾矿胶结充填配比试验

新桥尾矿的一个重要特点是残留硫含量高(8.5%)。根据现有理论，硅酸盐水泥的水化环境为中碱性，新桥矿尾矿中的硫酸盐矿物会对胶结充填材料的水化硬化环境产生一些不利影响，降低其后期强度，甚至使充填固化体解体。受成本因素影响，整个尾矿中的残留硫无法用脱硫方法解决。只有调整充填材料组合，优化充填配比，才能解决高硫全尾砂胶结充填的技术难题。考虑到粉煤灰具有良好的活化成分，可以作为胶结剂替代部分水泥，节约成本。同时利用其多孔性，为易膨胀的含硫尾矿胶结体提供合适的空空间，以保持充填体的完整性和强度。因此，本试验拟添加粉煤灰进行不同配比的全尾砂胶结充填试验，以确定新桥矿全尾砂充填的最佳配比参数。试验条件:室温自来水制浆，使用7.07cm×7.07cm×7.07cm标准三联试模；每个指标制成12个试件，脱模后室温养护。规定龄期后，用WDW-2000万能压力试验机测试单轴抗压强度(7d、28d、60d)和抗拉强度(28d)。不同比例的强度试验结果总结在表4中。

表4新桥矿全尾砂胶结充填试验结果

从分析结果可以得出以下结论。

(1)含硫尾矿强度发展迅速，7天左右即可达到最终强度值。早期强度突出，但由于高残留硫的存在，后期强度普遍下降。

(2)当水泥与尾矿水泥的质量比为1∶6时，水泥和尾矿水泥的抗压强度在7天后达到1.55MPa，但水泥和尾矿水泥的强度在60天后会明显下降，仅为0.35MPa，这表明残留的硫确实会造成后期强度的明显下降，甚至使充填体解体，失去承载能力。

(3)含硫尾矿添加粉煤灰后，其后期强度没有明显降低(如2号试块)，说明粉煤灰确实可以解决高硫尾矿胶结充填材料易膨胀、易崩解的问题。

(4)考虑到陶瓷过滤机过滤后的含硫尾矿易结块，影响输送和搅拌效果，特进行低浓度含硫尾矿胶结充填试验，即通过模拟浓尾矿浆(质量浓度40%左右，可用泥浆泵泵入充填制备站的搅拌桶)，直接加入水泥和粉煤灰进行搅拌充填(混合后质量浓度为53%，表4第5块)。试验结果表明，低浓度充填强度达不到要求(3号和5号对比分析)，井下排水和水泥损失大大增加。因此，在实际灌装过程中不应采用这种方案。

(5)尾砂胶结充填体的压缩应力应变特性符合弹塑性模型，达到极限强度破坏后，仍能保持较高的残余强度，如图3所示。劈分块内基本没有塑性变形阶段。峰值荷载后，残余强度只能维持很短时间，然后充填体失去承载能力(图4)。因此，采场充填体应避免拉应力集中。

图3表4中2号试块28d抗压应力-应变曲线

图4表4中2号试块28d龄期劈裂应力-应变曲线

(六)根据综合技术经济要求，推荐选用全铁尾矿作为骨料，水泥:粉煤灰:全铁尾矿= 1 ∶ 2 ∶ 6，质量浓度为70%；7d后充填体强度大于1.0MPa。

三。高硫尾矿的胶凝机理

充填试验表明，添加粉煤灰能有效避免水泥高硫尾矿水泥强度的降低，其机理如下:

粉煤灰是燃煤电厂将煤粉燃烧熔融后排放的粉末状固体废物。它主要由铝硅玻璃、结晶矿物如应时(α-SiO2)和莫来石(3Al2O3 2SiO2)和未燃烧的碳颗粒组成。氧化铝玻璃体是活性的主要成分，占70%以上。其含量越大，粉煤灰的活性越高。SEM图像(图5)显示，在铝硅玻璃体中有光滑的球形玻璃颗粒、不规则的小颗粒和疏松多孔的未燃烧碳颗粒。球形颗粒可以润滑水泥浆，这种颗粒越多，活性越好。

图5飞灰的扫描电镜图像

国内外学者对其作为矿山充填材料进行了研究，研究表明，在高浓度充填料浆中添加粉煤灰，不仅可以改善其流动性，还可以替代部分水泥作为胶凝剂，提高充填体的后期强度。

粉煤灰、水泥、高硫尾矿与水混合后，其早期为料浆悬浮。早期水化阶段的浆体是具有表面双电层结构的固体颗粒的分散体系，浆体的性质和变化取决于这些颗粒之间的相互作用。此时浆料中各种颗粒之间的距离较大，相互作用力无法体现。因此，浆液处于悬浮状态，没有塑性强度，有利于浆液的管道输送。

当浆料颗粒之间的距离逐渐缩小到一定程度时，相互作用力才真正体现出来，最终颗粒之间的范德华引力和静电斥力保持相对平衡，此时表现为长距离凝聚。当粒子电位降低时，表面电荷减少，粒子间的静电斥力逐渐减小。由于范德华力的吸引，这两个粒子可以相互粘附。当颗粒相互粘结时，在浆料中可以形成非常松散的空网状骨架，此时呈现初始聚集状态。

随着水合物颗粒的大量形成，颗粒之间的距离变得更近。此时颗粒间的相互作用力不再是范德华力，而是化学键力或次级化学键力，因此具有较高的强度。由于受力性质的变化，在后续交联中产生的水合物颗粒，或者说依赖于晶核在颗粒界面上的不断生长，内部化学反应主要表现为结晶，而外部浆状发展为固结状态。

高硫尾矿中的SO _ 4 ~ (2-)离子与硅酸盐水泥水化生成铝酸钙(3Ca·al2o 3·6H2O)，铝酸钙与氢氧化钙[Ca (OH) _ 2]相互作用会生成低密度、高结晶水等矿物，如三硫化钙水合物(3 Cao·al2o 3·3 caso _ 4·32h2o)，体积会随着养护时间的延长而逐渐膨胀。在封闭空室内，粉煤灰受到逐渐增大的压力，体积逐渐减小，压缩变形越来越小，表现出一定的支撑强度，保证了充填体后期不会因膨胀而坍塌，解决了充填体后期容易膨胀崩解而导致的强度降低问题。

四。输送粘性尾矿需要解决的问题

含硫尾矿胶结充填率试验结果表明，全尾砂浓缩后浓度较低，达不到直接与水泥和粉煤灰在搅拌筒中混合的浓度。这就要求用陶瓷过滤机过滤出的质量浓度高达85%的全尾砂饼来充填尾矿。但是尾矿泥饼容易粘结成块，在运输中存在以下问题:

(1)砂仓内存放的粘性尾矿会粘结成团，造成下料困难。

(2)粘性尾矿通过振动筛会堵塞筛孔，不能顺利输送。

(3)粘稠的尾矿在搅拌桶内搅拌一次后难以打散，容易堵塞搅拌桶的出浆口和充填管道。

为此，新桥矿调整了全尾砂的储运方式，降低了堆放高度，增加了分散破碎装置，采用尾砂活化运输，保证了生产的顺利下料和正常运行。

动词 （verb的缩写）结论

(1)高硫尾矿中的SO4 ^ 2-离子与硅酸盐水泥水化生成铝酸钙(3Ca·al2o 3·6H2O)，铝酸钙与氢氧化钙[Ca(OH)2]相互作用会生成低密度、高结晶度的硫铝酸钙(3CaO Al2O3 3CaSO4 32H2O)等矿物，体积随养护时间逐渐增大。

(2)通过大量的室内配比试验，确定水泥:粉煤灰:全尾砂的最佳配比为1 ∶ 2 ∶ 6，质量浓度为70%。7d后充填体强度大于1.0MPa。

(3)在含硫尾矿中添加粉煤灰可以解决水泥易膨胀、易崩解的技术难题的原理是粉煤灰是一种多孔材料，可以为膨胀体提供额外的空空间，保证充填体后期不会因膨胀而坍塌。

(4)粘性物料可通过综合工程技术手段解决，易粘结结块，但运输和搅拌困难。